快速成型与3D打印 快速成型与3D打印概述 01什么是3D打印

职业教育材料成型与控制技术专业教学资源库吴

兵什么是3D打印学习目标：了解3D打印的定义、特点和应用范围。现在广为人知的“3D打印”实际是人们对“增材制造”（Additive

Manufacturing，AM）这一专业术语的通俗叫法，它也曾有过快速成形或快速成型（Rapid

Prototyping，RP）、快速制造（Rapid

Manufacture，RM）、分层制造技术（Layered

Manufacturing

Technique，LMT）、材料累加制造（Material

Increase

Manufacturing，MIM）、实体自由制造（Solid

Freeform

Fabrication，SFF）、自由成形（Free

Form

Fabrication，FFF）和即时制造（Instant

Manufacture，IM）等名称。什么是3D打印增材制造（AM）3D打印（3D

Printing）快速成型（RP）快速制造（RM）分层制造（LMT）材料累加制造（MIM）实体自由制造（SFF）自由成形（FFF）1.减材制造减材制造是指按照要求把基体上的多余材料有序地分离去除，以获得符合要求的形状、尺寸和表面粗糙度的制品的加工方法。传统的金属切削加工以及电火花加工、电解加工、激光加工和超声波加工等特种加工方法都属于减材制造。受迫成型是成型材料受到压力的作用而成型的方法。2.等材制造等材制造是指利用模具或模型控制工件成形，将液态或固态材料加工成具有一定形状、尺寸和使用性能的零件或产品。以铸造、锻压、冲压、塑料成形和粉末冶金等材料成型加工为代表，这类加工多为受迫变形。以上的定义是一个狭义的定义，西北工业大学凝固技术国家重点实验室的黄卫东教授称其为“数字化增材制造”显得更为准确和贴切。从更广义的角度来看，我们可以将通过材料（包括液态材料、固态粉末材料、线材或块状材料等）叠加连接起来形成现实物体的制造方法，都可视为增材制造，如电弧喷涂成型工艺、气相沉积成型和电铸成型等都可划为增材制造范畴。实际上，增材制造的思想也是自古就有，从自然界的燕子筑巢、蚕吐丝结茧到人类的房屋构建技术都体现着增材制造的思想。在很多文献中都将增材制造等同于3D打印，实际上3D打印只是现阶段增材制造的一种主要方式。3.增材制造美国材料与试验协会（ASTM）3D打印技术委员会（F42委员会）对增材制造给予了明确的定义，增材制造是基于三维CAD模型数据，通常采用与减材制造技术相反的逐层叠加的方式来连接材

料以制作物品的过程。3D打印的应用领域设计方案评审制造工艺与装配检验功能样件制造与性能测试模具制造建筑总体与装修展示评价科学计算数据实体可视化医学与医疗工程首饰及日用品快速开发与个性化定制动漫造型评价电子器件的设计与制作航空产业建筑、食品……1.设计方案评审。借助于3D打印的实体模型,不同专业领域(设计、制造、市场、客户）的人员可以对产品实现方案、外观、人机功效等进行实物评价。2.制造工艺与装配检验。3D打印可以较精确地制造出产品零件中的任意结构细节，借助3D打印的实体模型结合设计文件，就可有效指导零件和模具的工艺设计，或进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。3.功能样件制造与性能测试。3D打印的实体原型本身具有一定的结构性能，同时利用3D打印技术可直接制造金属零件，或制造出熔(蜡)模，再通过熔模铸造金属零件，甚至可以打印制造出特殊要求的功能零件和样件等。3D打印的应用领域设计方案评审制造工艺与装配检验功能样件制造与性能测试GE飞机引擎模型4.模具制造。以3D打印制造的原型作为模板，通过SLA、LOM或SLS技术直接制造树脂、纸质或低熔点合金模具，可便捷地实现几十件到数百件数量零件的小批量制造；也可以利用3D打印技术首先制作模芯，然后用经过处理的模芯制作母模或翻制树脂软性模具；也可直接制造石膏型或陶瓷型进而浇铸出金属模。另外一种典型应用是随形冷却模具等复杂模具的加工。利用金属3D打印功能很容易实现随形冷却模具冷却流道的制造。随形冷却的原理是，在一个统一连续的方式下快速地降低塑件的温度。注塑件不能在冷却过程中从模具中取出，直到冷却充分，然后，从模具中取出注塑件。任何热点都会延迟注塑件的注塑周期，可能会导致脱模后注塑件的翘曲和凹陷，并可能损害塑件表面的质量。快速冷却是通过冷却液在模具内的通道流过，将注塑件的热量带走，这种冷却效果的速度和均匀性是由流体通道以及冷却流体通过它的速度来决定的，随形冷却模具可以有效提升冷却效果、提高冷却效率。(但是，增材制造出来的模具表面精度不高，要通过后期的精加工和抛光处理来获得所需的表面精度)3D打印的应用领域模具制造随形冷却模具示意图硅胶复模品5.建筑总体与装修展示评价。利用3D打印技术可实现模型真彩及纹理打印的特点，可快速制造出建筑的设计模型，进行建筑总体布局、结构方案的展示和评价。3D打印的应用领域建筑总体与装修展示评价6.科学计算数据实体可视化。计算机辅助工程(computer

aided

engineering，CAE)、地理地形信息（geographic

information

system，GIS)等科学计算数据可通过3D彩色打印，实现几何结构与分析数据的实体可视化。3D打印的应用领域科学计算数据实体可视化7.医学与医疗工程。通过医学CT数据的三维重建技术，利用3D打印技术制造器官、骨骼等实体模型，可指导手术方案设计，也可打印制作组织工程和定向药物输送骨架等。3D打印的应用领域医学与医疗工程3d

printed

titanium

mesh

to

rebuild

half

of

a

man

skull()图片来源：3D

Systems8.首饰及日用品快速开发与个性化定制。利用3D打印制作精密铸造蜡模制作贵金属首饰，或直接使用3D打印树脂、合金首饰，实现首饰和工艺品的快速开发和个性化定制。3D打印的应用领域首饰及日用品快速开发与个性化定制图片来源：9.动漫造型评价。可实现动漫等模型的快速制造，指导和评价动漫造型设计。3D打印的应用领域动漫造型评价10.电子器件的设计与制作。利用3D打印可在玻璃、柔性透明树脂等基板上，设计制作电子器件和光学器件。采用多种材料进行打印的3D打印技术正在研发。如Voxel

83D电子打印机由哈佛大学Jennifer教授在伊利诺伊大学和哈佛大学相关基本专利的基础上开发的的Voxel8桌面3D打印机，具有两个不同的打印头，一个是基于常见FFF/FDM技术的使用熔融线材的打印头，另外一个则是使用导电银墨水的打印头。可用于印刷电子、用于组织工程的3D聚合物支架和用于能量收集储存的先进材料等。3D打印的应用领域电子器件的设计与制作11.航空产业。传统飞机制造业耗时久、材料浪费大，一般只有10%的利用率，例如洛克希德马丁公司制造一架F-22战斗机需要2796Kg钛合金，实际只有144Kg用到飞机上。采用金属3D打印的大型钛合金结构件已经应用在航空领域，美国GE公司也将在其设计的世界最大发动机GE9X上使用3D打印零件。3D打印的应用领域航空产业2015年7月26日英国海军成功试飞3D打印无人机12.建筑、食品……。3D打印建筑、3D打印食品……新的应用层出不穷。3D打印的应用领域建筑、食品……D-shape建筑用3D打印机及其发明者Enrico

Dini阿姆斯特丹3D打印建筑12.建筑、食品……。3D打印建筑、3D打印食品……新的应用层出不穷。3D打印的应用领域3D

printed

carrot

made

for

retirement

homes

in

GePancakeBot打印的煎饼3D打印的应用领域设计方案评审制造工艺与装配检验功能样件制造与性能测试模具制造建筑总体与装修展示评价科学计算数据实体可视化医学与医疗工程首饰及日用品快速开发与个性化定制动漫造型评价电子器件的设计与制作航空产业建筑、食品……你还能想到哪些应用？1.可以制造任意复杂的三维实体零件。3D打印采用离散/堆积成型的原理，将复杂的三维制造过程降成二维制造过程的叠加，越是复杂的零件越能显示3D打印技术的优越性。2.3D打印产品的制造成本与零件复杂程度无关、与产品批量无关。3.成型过程具有高度柔性，可减少生产准备时间。产品成型过程不需要专用的工具或夹具就可以完成任意复杂形状的三维实体的制造，通过对CAD模型的修改重组就可以获得心灵间的设计和加工信息。4.提高产品设计效率，缩短产品开发周期。3D打印技术用于改善产品设计，通过打印出来“概念模型”，以实物形态展示出来，便于设计者观察。除了用于概念设计阶段外，还被运用于织造工艺与装配工艺检验阶段，可有效指导零件、模具的工艺设计，进行产品装配检验，避免结构和工艺设计错误。现代企业的新产品开发需要的时间很短，同时又必须确保所做决定的准确性。这些决定会影响大部分的成本因素，如材料选择、制造技术以及设计寿命。通过制作产品模型进行测试，优化设计流程，加速新产品开发速度，为企业实现利润最大化。5.由CAD模型直接驱动，进行数字化制造（可复制性）。3D打印技术是指由计算机辅助设计模型(CAD)直接驱动的，运用金属、塑料、陶瓷、树脂、蜡、纸、砂等材料，在3D打印设备里分层制造任何复杂形状的物理实体的技术。其实质是将复杂的制造工艺系统进行简化，将制造系统对产品设计的约束降低。6.满足大众化定制（MassCustomization）需求。大众化定制，就是企业必须适应客户定制需求扩散化的社会需求特征，以普通顾客可以接受的价格提供能够满足其定制需求的产品或服务。7.可以异地分散化制造，降低交通运输成本。产品的数字化制造信息可以方便的通过网络进行传输，降低交通运输成本。极端的例子就是在太空飞船上配备3D打印机。8.最大可能的提高材料利用率。尤其是飞机等航空器制造，前面已经讲过，不再赘述。9.直接打印组装产品、多材料打印。有些产品可以直接用3D打印机打印出来，不需要组装，缩短了供应链。3D打印的优点你还能想到哪些优点？可以制造任意复杂的三维实体零件制造成本与零件复杂程度无关、与产品批量无关成型过程具有高度柔性，可减少生产准备时间提高产品设计效率，缩短产品开发周期由CAD模型直接驱动，进行数字化制造（可复制性）满足大众化定制（MassCustomization）需求可以异地分散化制造，降低交通运输成本最大可能的提高材料利用率直接打印组装产品、多材料打印……1.强度。由于3D打印采用层叠堆积成型原理。普通3D打印件的强度比同类型材料利用传统工艺制造的强